过程控制课程设计

1、过程控制课程设计报告课程设计报告(20142015年度第 二 学期)名 称： 过程控制课程设计 题 目：火电厂主汽温度控制系统设计院 系：班 级： 姓 名： 学 号： 设计周数： 1 周 指导老师： 日期： 2014 年7月3日过程控制课程设计 任 务 书一、 目的与要求“过程控制课程设计”是“过程控制”课程的一个重要组成部分。通过实际工业过程对象控制方案的选择、控制功能的设置、工程图纸的绘制等基础设计和设计说明的撰写，培养学生基本控制系统工程设计能力、创新意识，完成工程师基本技能训练。二、 主要内容1根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，给出控制系统原理图；2根据确定控制设备和测量

2、取样点和调节机构，绘制控制系统工艺流程图（PID图）；3根据确定的自动化水平和系统功能，选择控制仪表，完成控制系统SAMA图（包括系统功能图和系统逻辑图）；4对所设计的系统进行仿真试验并进行系统整定；5编写设计说明书。三、 进度计划序号设计(实验)内容完成时间备注1下达任务，查找资料周一、周二2制定控制方案，绘制控制系统SAMA图周二、周三3仿真试验、撰写设计说明周三、周四4答辩周五四、 设计（实验）成果要求1 绘制所设计热工控制系统的SAMA图；2 根据已给对象，用MATABL进行控制系统仿真整定，并打印整定效果曲线；3 撰写设计报告五、 考核方式提交设计报告及答辩学生姓名：指导教师： 年

3、月 日一、课程设计目的与要求1 通过实际工业过程对象控制方案的选择、控制功能的设置、工程图纸的绘制等基础设计和设计说明的撰写，培养学生基本控制系统工程设计能力、创新意识，完成工程师基本技能训练。 掌握汇编语言程序设计的基本方法和典型接口电路的基本设计方法。2 掌握过程控制系统设计的两个阶段：设计前期工作及设计工作。2.1设计前期工作（1）查阅资料。对被控对象动态特性进行分析，确定控制系统的被调量和调节量；（2）确定自动化水平。包括确定自动控制范围、控制质量指标、报警设限及手自动切换水平；（3）提出仪表选型原则。包括测量、变送、调节及执行仪表的选型。 2.2设计工作（1）根据对被控对象进行的分析

4、，确定系统自动控制结构，给出控制系统原理图；（2）根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，绘制控制系统工艺流程图（PID图）；（3）根据确定的自动化水平和系统功能，选择控制仪表，完成控制系统SAMA图（包括系统功能图和系统逻辑图）；（4）对所设计的系统进行仿真试验并进行系统整定；（5）编写设计说明书。3 培养学生对过程控制系统的基本设计能力。4 提高学生的实践动手能力和创新能力。二、课程设计正文1. 被控对象动静态特性分析11影响过热蒸汽温度的因素影响过热蒸汽温度的主要扰动有三种： （1）蒸汽流量（负荷）扰动； （2）烟气热量扰动（燃烧器运行方式、燃料量变化、风量变化等）； （3）减温水流量扰

5、动。12过热汽温控制对象的静态特性分析根据传热方式分：过热器可分为对流式、辐射式和半辐射式过热器三种。 对于不同的过热器，蒸汽流量对蒸汽温度的影响如下图：图1 蒸汽流量对过热器温度的影响13过热汽温控制对象的动态特性分析（1）蒸汽流量（负荷）扰动下的动态特性汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化，蒸汽量的变化将改变蒸汽和烟气之间的传热条件，导致汽温的变化。如图，在时刻产生蒸汽流量扰动下过热蒸汽的响应曲线，由分析可得由于管道中沿长度方向上的点温度几乎同时变化，所以温度响应具有自平衡特性，而且惯性和迟延都比较小。图2 蒸汽流量（负荷）扰动下的动态特性曲线（2）烟气热量扰动（燃烧器运行方式、燃料量变化、风量

6、变化等）下的动态特性燃料量增减，燃料种类的变化，送风量，吸风量，的改变都将引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器长度方向上同时发生的，因此汽温变化的迟延很小，一般在1020s之间，同时体现出自平衡特性。烟气侧扰的汽温响应曲线如下图所示。图3 烟气侧扰动的汽温响应曲线 （3）减温水流量扰动下动态特性应用喷水来控制蒸汽温度是目前最广泛采用的一种方式，对于这种控制方式，喷水量振动就是基本振动。过热器是具有分布参数的多容对象，可以把管内的蒸汽和金属管壁看作是无穷多个单容对象串联组成的多容对象，当喷水量发生变化后，需要通过这些串联

7、单容对象，最终引起出口蒸汽温度的变化。因此，会有很大延迟，减温器离过热器出口越运，延迟越大，其响应曲线如下 图。喷水量振动响应曲线具有惯性，有迟延，有自平衡性。其迟延与管道长度成正比，一般锅炉延迟在3060s。图4 减温水流量扰动下的汽温响应曲线2. 主汽温控制方案通过对过热蒸汽汽温动态特性的分析可知，该被控对象惯性比较大，且过热器惯性比较大。目前普遍采用的控制方案有：采用导前汽温微分信号的双回路控制系统、过热汽温串级控制系统、采用相位补偿的汽温控制系统、过热汽温分段控制系统等。通过对这些控制方案的比较发现，采用导前汽温微分信号控制系统的控制效果不如串级控制系统好，尤其当控制对象惰性区的惯性比

8、较大时更为明显。同时为了满足多系统的对比，本次课程设计采用串级控制、单回路控制以及前馈反馈复合串级控制。2.1 串级控制系统控制结构图串级控制的结构方框图如下：图5 串级控制结构方框图2.2 工艺流程图 以某600MW汽轮发电机组的汽包锅炉为例，其过热蒸汽生产流程简图和流程图如下图所示： 图6 直流锅炉主蒸汽生产流程图图7 600MW机组过热蒸汽流程图 图8串级汽温系统控制原理图 图9 系统SAMA图3. 串级仿真实验与整定3.1被控对象特性介绍本次课程根据文献3中300MW机组主汽温的对象为被控对象，其对象模型如下：图10 被控对象特性3.2系统仿真针对上述的被控对象，本文采用的是常规PID

9、串级控制，其控制原理图在图5中进行了分析。在串级主汽温控制系统中，副回路应尽快地消除扰动对主汽温的影响，对主汽温起粗调的作用，因此副控制器采用的是P控制器；主控制器的作用是的主汽温起细调作用，因此采用的是PI控制器。由于设计要求中的传递函数为负值，所以在设计控制系统的同时或者将PID调节器设置为负值，或者采用正反馈回路，为了视图方便下文我将一律采用输出为正值的设计方式。（1） Simulink图如下： 图11 系统仿真图（2） 内回路参数整定断开主环，按单回路整定方法整定，这里采用的是衰减曲线法进行整定。整定的步骤：(1) 断开主回路，用衰减曲线法，整定内回路。副调节器，纯P作用。(2) 反复

10、调整比例带，做副回路定值阶跃扰动实验，直到衰减率0.750.9，记录曲线。调整控制参数，建立如下图所示的仿真图：图12 内回路整定仿真图 图13 内回路整定matlab输出图图14 内回路整定simulink输出图由图可知内回路Kp=5.9，比例带=0.1695，第一个峰差是0.335，第二个峰差是0.052，衰减率是85.35%，震荡周期Ts=48.1s。（3）外回路参数整定把上面整定好的副环作为主环中的一个环节，进行整定。利用衰减曲线法寻找衰减率为75%的点。见表：Kp0.9680.900.800.720.710.700.54050.60290.68860.74900.75220.7627

11、程序：G0=zpk(,-1/28.3,-1/28.3,-1/28.3,-1/28.3,-1/28.3,-1/28.3,-1/28.3,0.743870576e-10);h0,r,wx,wc=margin(G1);G2=zpk(,-0.04,-0.04,0.017228);G2=G2/(1+G2);G1=G2*G0;G3=G1/(1+G1);step(G3)仿真图如下： 图15 外回路整定衰减率为75%输出 图16 外回路仿真simulink输出根据下表：从而得出：Kp=0.592，Ti=210s，Ki=0.0029，微调后选择Kp=0.50，Ti=210s，Ki=0.004阶跃响应图如下： 图

12、17 参数整定后的串级输出由上图可以看出，得到的外环控制输出曲线超调量较小，控制曲线光滑，品质优良。（3）电厂主汽温控制仿真本文以亚临界机组的主汽温540附近为仿真参考，假定主汽温已经稳定在535，现在主汽温控制由535变化到540时，仿真中变化值由0变化到5，并由540变化到535，即仿真变化值由5变化到0，分析该控制回路的控制品质。 图18 仿真电路（1）主汽温给定值由（530+0）变化到（530+5）设定阶跃信号初始值为0,500s后跳跃至5，得到控制输出曲线： 图19 输入干扰输出曲线（2）主汽温给定值由（535+0）变化到（535-5）时设定阶跃信号初始值为5,1000s后跳跃至0，

13、得到控制输出曲线： 图20输入干扰输出曲线由上图可知，在1000s时阶跃信号产生时，系统开始进行调节，经过短时间的波动后，系统输出逐渐平稳，控制品质良好。（5）抗外扰测试本次的外扰为主蒸汽流量干扰，其对主汽温动态特性影响的传递函数已经给出。搭建如下图所示的仿真图：图21 加外扰仿真设蒸汽流量的变换量为温度设定变化值的10%20%，本文取20%，即变化量约为0.2。阶跃信号初始值为0,3000s后跳跃至0.2，得到控制输出曲线：图22 3000s加高阶外扰系统输出由上图可知，在有蒸汽流动高阶扰动的情况下，串级控制回路也能够有效的消除干扰对系统控制品质的影响，调节时间大约在600s左右结束，响应速

14、度快，但是出现较大波动，使控制品质变差。虽然当干扰通道为n阶惯性环节时，干扰通道的放大系数减小了时间常数T的n次方倍，随着干扰通道阶数的增多闭环系统的动态偏差减小，对提高控制质量有利，但是当主通道阶次跟高的时候，干扰通道的四阶对于主通道的九阶而言造成的动态偏差也会很大。（6）抗内扰测试本次的内扰为模拟内部干扰，其值约为控制量的10%。搭建如下图所示的仿真图： 图22 加内扰的仿真设内部干扰0.1，阶跃信号初始值为0,3000s后跳跃至0.1，得到控制输出曲线：图23 加内扰的输出由上图可知，当有内部干扰变化影响回路时，串级控制输出的波动较小，超调量很小，能够有效的克服内扰对控制回路的影响。（7

15、）抗干扰综合测试将内扰和外扰综合进行测试，主汽温给定值由（535+0）变化到（535+5），设定阶跃信号初始值为0,1s后跳跃至5。在2000s后加入内扰0.1，3000s后加入蒸汽流动扰动信号变化量为1，检验系统抗干扰能力。仿真得到控制输出曲线： 图24 多种类型扰动输出曲线由上图可知，该串级控制回路能够较有效的克服内扰和多阶外扰叠加对控制系统的影响，使控制品质得到保证，该串级控制设计合理，保障较高，但是对于高阶外扰，整个系统短时间波动较大，对系统的冲击较高，容易引发事故，控制品质下降。4单回路仿真与整定建立单回路仿真图: 图25 单回路仿真不断的调整Kp值使得衰减率为90%，采取PI调节。

16、Kp=0.2122, =4 .713,tr=372s，P=0.17682 , I=0.0002377，经简单微调之后取P=0.17682，I=0.0018，此时衰减率0.85，输出曲线为： 图26 单回路输出设定阶跃信号初始值为0,500s后跳跃至5，得到控制输出曲线： 图27 控制品质依旧良好。对比串级系统我们也对单回路系统做内外扰动测试。设蒸汽流量的变换量为温度设定变化值的10%20%，本文取20%，即变化量约为0.2。阶跃信号初始值为0,3000s后跳跃至0.2，得到控制输出曲线： 图28在有小外扰的情况下，单回路要比串级消除误差时间长，大约用1200s左右，克服外扰的能力差，控制品质相

17、对差。当增大输入阶跃，可减小外扰带来的影响，如下图： 图29控制品质明显提高，对外扰的适应能力增强，间接从外部改善系统。但是内在的本质大波动变化仍是问题。测试内扰时，我通过比较内扰作用的位置来进行分析。仿真图： 图30扰动作用在远离被控量的位置输出曲线为： 图31扰动作用在靠近被控量的位置输出曲线为： 图32可以看出，内扰作用在不同位置时对系统输出的有不同的影响，作用远离被控量经过惯性环节多，多次滤波，对输出造成的影响平滑，有延时，影响小；作用靠近被控量，经过惯性环节少，对输出产生冲击，无延时，对系统影响大。5引入前馈为了克服外扰对系统造成的大波动现象，我引入前馈作用，及时快速的消除蒸汽流量带

18、来的大干扰。前馈通道传递函数应是：Gf = 2.8746e06 (s+0.04)2 (s+0.03534)7 (s2 + 0.08s + 0.01883) - (s+0.03322)4 (s+0.04)2仿真图如下： 图33 引入前馈当处理多阶外扰阶段时，引入前馈得到输出图像： 图34将其与图22对比： 图22发现大波动减小，并且稳态误差更小，恢复稳态速度更快、更及时。由于传递函数较复杂，我只给前馈通道引入一阶惯性环节和比例增益做分析，说明当前馈通道传递函数优化后，得到的图像会趋近于不波动，动态偏差我再次减小，可见前馈针对外扰有着对系统重要的作用。6. 控制方案与仿真结果分析本文主要针对600

19、MW机组主汽温的对象进行控制系统的设计，通过对该被控对象和影响其动态特性的因素进行了分析。分析发现该对象惯性比较大。对于电厂主汽温的控制目前普遍采用的控制方案有：采用导前汽温微分信号的双回路控制系统、过热汽温串级控制系统、采用相位补偿的汽温控制系统、过热汽温分段控制系统等。但通过相关文献的比较发现，采用导前汽温微分信号控制系统的控制效果不如串级控制系统好，尤其当控制对象惰性区的延迟和惯性比较大时更为明显。同时串级PID控制是目前火电厂中主汽温控制中采用最多的控制策略，同时串级控制具备如下特点：l 对二次干扰有很强的克服能力；l 能够改善被控对象的动态特性，提高系统的工作频率；l 对负载或操作条

20、件的变化有一定的自适应能力。因此，本文对文献3中的被控对象采用了PIDPID串级控制，其中副回路用P调节，主回路用PI调节在仿真实验和整定过程中，通过整定，串级控制回路的控制输出曲线的超调量控制在了20%以内，衰减率也控制在了合理的范围之内，其控制输出曲线光滑。通过对亚临界机组的温度控制的仿真，该串级控制能够有效的对其变化值为5的阶跃信号进行控制，经过仿真输出曲线可以发现，其能够对给定值进行有效的控制，超调量小于1，控制品质优良。此外，在仿真中还对该串级控制进行了抗干扰测试，分别对内扰信号的抗干扰能力和外扰信号的抗干扰能力进行了测试。经过测试发现，该控制回路能够有效的克服内扰对系统的影响，对外扰也能够有一定的消除作用，但是不完美仍有缺陷，因此，通过单回路仿真和引入前馈可以得出结论：设计的串级控制回路能够对电厂主汽温给定温度值变化进行控制，能够很好的消除内部扰动对系统的影响，加入前馈环节组成前馈反馈复合回路对外扰也具备很好的消除作用，同时设计系统时扰动作用尽量的远离被控量，总体设计合理有效。当然，在仿真过程中也还存在一些不足，比如对外扰的抗干扰效果还可以进一步提高。同时，在仿真过程中，我们没有加入速度限制模块，这个在实际应用中是十分重要的，这